22/08/2023
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van EPFL hebben een robothond ontwikkeld die, eenmaal in beweging gezet, kan rennen zonder hulp of motoren.
Technici van de École Polytechnique Fédérale Lausanne bedenken nieuwe manieren om robots te bouwen met nooit eerder vertoonde mogelijkheden. Onderzoekers gebruikten bijvoorbeeld ChatGPT om een robotgrijper te ontwerpen voor het oogsten van tomaten. Andere onderzoekers gebruikten bewegingsdata van echte honden om een robotachtige robot te bouwen. Meer specifiek bestudeerden ze de biologische mechanismen van honden om een slimmer robotontwerp te creëren. Ze bouwden een prototype dat vanzelf kan draaien zodra het in beweging is gezet, zonder zijn motoren te activeren.
Ontwerp
De onderzoekers wilden een robot ontwerpen met dierlijke kenmerken, rekening houdend met het feit dat dieren – net als mensen – op een grote verscheidenheid aan manieren bewegen. Maar de meeste bewegingen worden uitgevoerd door slechts een paar gewrichten. De onderzoekers lieten zich daarom inspireren door de motorische controleprocessen van dieren om hen te begeleiden bij zijn robotontwerp. Ze hadden vrijwel elk dier kunnen kiezen, maar er bleek in open source een grote dataset over de bewegingen van honden beschikbaar te zijn.
De eerste stap was het extraheren van gegevens over de synergetische bewegingen van honden en het structureren van de data. Hierdoor konden ze op een zinvolle manier worden 'samengevat', via een methode die bekend staat als hoofdcomponentenanalyse. Dit hield in feite in dat de data werden gegroepeerd in verschillende vectoren die de hoofdassen van de beweging van de hond beschrijven. Deze informatie werd gebruikt om exacte specificaties voor de robot vast te stellen.
Metaal, katrollen, kabels en schroeven
De in Lausanne ontwikkelde robothond heeft bilaterale symmetrie. Elk van de vier poten van de robot heeft drie gewrichten, en elk gewricht is gecoördineerd met de andere. Door dit laatste kenmerk kan de robot op dezelfde manier rennen als – en met alle behendigheid van – een echte hond. Om het prototype te bouwen, gebruikten de onderzoekers metalen staven als botten, 3D-geprinte katrollen als verbindingen en dunne kabels als pezen. Een paar schroeven houdt het geheel bij elkaar.
De ingenieurs kochten een loopband om hun prototype te testen. Ze ontdekten dat, zodra de robot aan de slag ging, hij autonoom kon werken zonder dat hij de besturingsmotoren hoefde te activeren. Eerst dachten ze aan een toevalstreffer was, dus hebben de ontwikkelaars het ontwerp iets aangepast en de robot opnieuw getest. Maar toen kon hij niet meer draaien.
Uiteindelijk voegde het onderzoeksteam een tegengewicht toe, vergelijkbaar met een slinger, zodat de robot in beweging kon blijven zodra hij startte. Het tegengewicht gebruikt resonantie om energie te injecteren. De onderzoekers hebben het lichaam van de robot zo ontworpen dat hij automatisch kan reageren, net zoals een forel automatisch begint te zwemmen als hij in water wordt geplaatst.
Gewrichten bewegen synergetisch
Niettemin zijn de besturingsmotoren van de robot nuttig om een breder bewegingsbereik te bereiken. Hij kan bijvoorbeeld springen en obstakels overwinnen zonder de hulp van zijn tegengewicht. De onderzoekers willen het ontwerp verder brengen met de motoren, maar voorlopig is het prototype nog niet erg robuust. Dat weerhield hen er niet van om de mechanische hond op de proef te stellen, bijvoorbeeld door een stok tussen zijn poten te plaatsen om te zien hoe hij zou reageren. Onaangedaan hervatte de robot automatisch zijn sierlijke galop. En op de loopband haalt hij met gemak een snelheid van 6 km/u.
Het doel is niet om te concurreren met hightech robothonden, maar eerder om bio-geïnspireerde robotontwerpen te verkennen. Dit houdt in dat het fundamentele ontwerp van een robot wordt aangescherpt en de passieve eigenschappen ervan worden aangepast. De bedoeling is dat alleen eenvoudige besturingssystemen nodig zijn, terwijl de mogelijkheden van de robot worden gemaximaliseerd. De onderzoekers in Lausanne hebben de gewrichten zodanig ontwikkeld dat ze synergetisch werken. Dat is al nuttig gebleken voor het creëren van robothanden en andere lichaamsdelen.
Foto: Alain Herzog, EPFL